Forscher untersuchen Wege zur Realisierung nachhaltiger Wassersysteme für den Weltraum

Vereinigtes Königreich - Ekhbary Nachrichtenagentur

Forscher untersuchen Wege zur Realisierung nachhaltiger Wassersysteme für den Weltraum

Da die Ambitionen der Menschheit auf die Errichtung einer dauerhaften Präsenz im Weltraum abzielen, wird die Bereitstellung von sauberem, zuverlässigem Trinkwasser zu einer grundlegenden Voraussetzung. Ob für Habitate auf dem Mond, Basen auf dem Mars oder ferne Raumstationen – Wasser ist nicht nur ein Komfort, sondern die Essenz des Überlebens. Diese Notwendigkeit wird durch die harten Realitäten der Weltraumforschung verschärft, wo Ressourcen knapp sind und Nachschubmissionen prohibitiv teuer, zeitaufwendig oder beides sind. Die Abhängigkeit von der Erde für eine kontinuierliche Wasserversorgung ist ein nicht nachhaltiges Modell für langfristige extraterrestrische Unternehmungen.

Die absolute Abhängigkeit des menschlichen Körpers von Wasser, wobei das Überleben ohne Wasser auf nur drei Tage begrenzt ist, unterstreicht seine kritische Rolle. Über die persönliche Hydratation hinaus ist Wasser unerlässlich für die Erzeugung von atembarem Sauerstoff durch Elektrolyse, den Anbau von essbaren Pflanzen in kontrollierten Umgebungen und die Aufrechterhaltung grundlegender Hygienestandards in geschlossenen Habitaten. Um diesen vielschichtigen Anforderungen gerecht zu werden, ist die Entwicklung ausgeklügelter geschlossener Kreislaufsysteme (Closed-Loop Systems) von größter Bedeutung – Systeme, die in der Lage sind, konstant sauberes Wasser über Monate, ja sogar Jahre, ohne externe Nachfüllung bereitzustellen.

Ein bedeutender Beitrag zu diesem Feld stammt aus einer kürzlich in *Water Resources Research* veröffentlichten Studie. Die Arbeit untersucht die erzielten Fortschritte und zitiert das Environmental Control and Life Support System (ECLSS) an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) als Paradebeispiel. Das ECLSS hat eine bemerkenswerte Effizienz gezeigt und etwa 93% des von den Astronauten durch Urin, Schweiß und Atmung verlorenen Wassers zurückgewonnen. Die Autoren der Studie betonen jedoch, dass trotz dieser Errungenschaft erhebliche Herausforderungen bestehen bleiben. Sie plädieren für die Erforschung vielfältiger innovativer Ansätze zur Realisierung wirklich nachhaltiger Wassersysteme (Sustainable Water Systems - SWS), die nicht nur hocheffizient und langlebig sind, sondern auch in der Lage, eine stetige, zuverlässige Versorgung mit Trinkwasser in extraterrestrischen Umgebungen zu liefern.

Die umfassende Überprüfung wurde von David Bamidele Olawade geleitet, einem Forscher im Bereich öffentliche Gesundheit, der mit der University of East London, dem Medway NHS Foundation Trust und der York St John University verbunden ist. Ihm schlossen sich James O. Ijiwade, ein Forscher für Umweltwissenschaften und Nanotechnologie von der University of Ibadan, Nigeria, und Ojima Zechariah Wada, ein Postdoktorand, der sich auf Wassermanagement und Umweltbiotechnologie an der Hamad Bin Khalifa University, Katar, spezialisiert hat, an. Ihre kollektive Expertise bietet eine multidisziplinäre Perspektive auf die Komplexität der Wasserhaltigkeit im Weltraum.

Während das ECLSS der ISS als wertvolle Blaupause für die Rückgewinnung von Wasser im geschlossenen Kreislauf dient, sind seine Grenzen für zukünftige Tiefraummissionen offensichtlich. Die ISS profitiert von relativ schnellen Nachschubmöglichkeiten von der Erde, aber die logistischen und finanziellen Belastungen sind immens. Offizielle Schätzungen gehen davon aus, dass der Transport von nur einem Kilogramm Wasser Zehntausende von Dollar kosten kann, wobei die Kosten für Missionen zu weiter entfernten Himmelskörpern exponentiell steigen. Diese finanzielle Hürde, gepaart mit der begrenzten Nutzlastkapazität von Raumfahrzeugen, schränkt die Menge der transportierbaren Güter, einschließlich Wasser, stark ein.

Darüber hinaus verbrauchen aktuelle Systeme wie das ECLSS viel Energie, was sie für den Einsatz außerhalb der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) unpraktisch macht. Ihre Effizienz reicht auch für eine unbegrenzte Nachhaltigkeit nicht aus. Die Gewinnung von Ressourcen an Orten außerhalb der Erde birgt eine einzigartige Reihe von Hindernissen, darunter Mikrogravitation, Vakuum, extreme Temperaturschwankungen, Gewichtsbeschränkungen sowie Schwierigkeiten bei der Datenanalyse und Kommunikation. In abgelegenen Umgebungen wie den Mondpolen oder dem tiefen Weltraum, wo die Verfügbarkeit von Sonnenenergie aufgrund langer Dunkelperioden intermittierend ist, ist die Entwicklung alternativer und zuverlässiger Energiequellen von entscheidender Bedeutung.

Die Wartung ist ein weiterer kritischer Aspekt. Herkömmliche Wasserrecyclingsysteme sind im Laufe der Zeit anfällig für Korrosion und Verschleiß. Bei Langzeitmissionen ist die Möglichkeit regelmäßiger Wartungsarbeiten stark eingeschränkt, was die Haltbarkeit und Langlebigkeit des Systems zu einer Priorität macht. Um diese Hürden zu überwinden, untersuchten Olawade und seine Kollegen die jüngsten Fortschritte bei Filtertechnologien, neuartigen Desinfektionsmethoden und autonomen Systemen. Das ECLSS der ISS bietet eine Grundlage, aber zukünftige Systeme müssen für eine höhere Energieeffizienz und eine verbesserte Beständigkeit gegen Degradation in rauen Weltraumumgebungen konzipiert sein.

Die Forscher betonen nachdrücklich die Bedeutung der In-Situ-Ressourcennutzung (ISRU) – der Praxis, Materialien vor Ort zu beschaffen und zu nutzen. ISRU ist ein Eckpfeiler der Pläne für zukünftige Mond- und Mars-Explorationen. Das Artemis-Programm der NASA zielt beispielsweise darauf ab, eine Mondbasis im ressourcenreichen Aitken-Becken am Südpol zu errichten, einer Region, die von zahlreichen Kratern geprägt ist. Chinas Internationale Mondforschungsstation (ILRS) und die Vision der Europäischen Weltraumorganisation eines Internationalen Monddorfs zielen ebenfalls auf diese Region ab, hauptsächlich aufgrund der bestätigten Anwesenheit von reichlich vorhandenem Wassereis in permanent beschatteten Regionen (PSRs).

Ähnliche strategische Überlegungen leiten die Planung zukünftiger Marsmissionen. Roboter-Erkunder haben jahrelang potenzielle Wasserquellen auf der Marsoberfläche, insbesondere in mittleren Breitengraden, identifiziert. Die Gewinnung und Aufbereitung von extraterrestrischem Wasser birgt jedoch erhebliche technische und logistische Herausforderungen. Dazu gehört die Entwicklung spezialisierter Geräte, die in der Lage sind, Wasserreserven zu erschließen und zu verarbeiten, die möglicherweise unter dem Marsregolith vergraben sind. Darüber hinaus ist die Qualität des Grundwassers auf dem Mars aufgrund hoher Konzentrationen von Perchloraten und anderen potenziell schädlichen organischen Verbindungen ein Problem, das fortschrittliche Aufbereitungstechniken erfordert, um es für den menschlichen Verzehr und Lebenserhaltungssysteme sicher zu machen.

Folglich sind fortschrittliche Extraktions- und Reinigungssysteme unerlässlich, ebenso wie Energiesysteme, die ebenso nachhaltig, langlebig und an extreme extraterrestrische Bedingungen angepasst sind. Im Wesentlichen müssen Weltraum-Wassersysteme geschlossene Kreisläufe, hocheffizient, robust und minimal energieabhängig sein. Um die erheblichen Energieanforderungen von Extraktions- und Reinigungssystemen zu bewältigen, untersucht die Studie verschiedene Anwendungen von Sonnen- und solarthermischer Energie. Diese könnten kritische Prozesse wie Wasserpumpen, Entsalzung (mittels Methoden wie Umkehrosmose oder Elektrodialyse) und Reinigung (durch Photokatalyse oder fortschrittliche Filtration) antreiben. Solche dezentralen Systeme eignen sich ideal für extraterrestrische Habitate, wo große Kraftwerke nicht praktikabel sind.

Photothermische Systeme, die Sonnenstrahlung in Wärme umwandeln, bieten vielseitige Anwendungen von der Solardestillation bis zur Entsalzung. Hybride Photovoltaik-Thermische (PV-T) Lösungen können die Effizienz weiter steigern, indem sie gleichzeitig Strom für Pumpen und Filter erzeugen und Wärme für die Wasseraufbereitung liefern. Dennoch stößt die Abhängigkeit von Sonnenenergie auf Einschränkungen, insbesondere in den polaren Mondregionen mit langer Dunkelheit und auf dem Mars, der deutlich weniger Sonnenstrahlung empfängt als die Erde (etwa 43% bis 60%). Zu diesem Zweck untersuchen die Forscher auch das Potenzial von kleinen modularen Kernreaktoren. Diese werden derzeit für zukünftige Mond- und Marsbasen evaluiert, wie z. B. durch das KRUSTY-Programm von NASA (Kilopower Reactor Using Stirling Technology).

Die Studie berücksichtigt auch die jüngsten Fortschritte bei Bioreaktoren und Gentechnik, die neuartige Lösungen für die Wasseraufbereitung und Abfallwirtschaft im Weltraum bieten könnten. Fortschritte in diesen miteinander verbundenen Bereichen sind entscheidend, um eine nachhaltige menschliche Besiedlung jenseits der Erde zu ermöglichen und das Wohlergehen zukünftiger Weltraumforscher zu gewährleisten.

Ekhbary Nachrichtenagentur