Onderzoekers Onderzoeken Hoe Duurzame Watersystemen voor de Ruimte te Realiseren

Verenigd Koninkrijk - Ekhbary Nieuwsagentschap

Onderzoekers Onderzoeken Hoe Duurzame Watersystemen voor de Ruimte te Realiseren

Nu de ambities van de mensheid zich uitstrekken tot het vestigen van een permanente aanwezigheid in de ruimte, wordt de voorziening van schoon, betrouwbaar drinkwater een fundamentele voorwaarde. Of het nu gaat om habitats op de maan, bases op Mars of verre ruimtestations, water is niet slechts een luxe, maar de essentie van overleven. Deze noodzaak wordt verergerd door de harde realiteit van ruimteverkenning, waar hulpbronnen schaars zijn en bevoorradingsmissies prohibitief duur, tijdrovend of beide zijn. Vertrouwen op de aarde voor een continue watertoevoer is een onhoudbaar model voor langdurige buitenaardse ondernemingen.

De absolute afhankelijkheid van het menselijk lichaam van water, met een overlevingsduur van slechts drie dagen zonder, onderstreept de cruciale rol ervan. Naast persoonlijke hydratatie is water onmisbaar voor het produceren van adembare zuurstof door elektrolyse, het kweken van eetbare planten in gecontroleerde omgevingen en het handhaven van essentiële hygiënenormen in gesloten habitats. Om aan deze veelzijdige eisen te voldoen, is de ontwikkeling van geavanceerde gesloten-lus systemen (Closed-Loop Systems) van het grootste belang – systemen die consequent schoon water kunnen leveren gedurende maanden, zelfs jaren, zonder externe aanvulling.

Een belangrijke bijdrage aan dit veld komt van een recente studie gepubliceerd in *Water Resources Research*. Het artikel onderzoekt de geboekte vooruitgang en citeert het Environmental Control and Life Support System (ECLSS) aan boord van het International Space Station (ISS) als een primair voorbeeld. Het ECLSS heeft een opmerkelijke efficiëntie getoond en herstelt ongeveer 93% van het water dat door astronauten via urine, zweet en ademhaling wordt verloren. De auteurs van de studie benadrukken echter dat, ondanks deze prestatie, er nog aanzienlijke uitdagingen blijven bestaan. Ze pleiten voor het verkennen van meerdere innovatieve benaderingen om werkelijk duurzame watersystemen (Sustainable Water Systems - SWS) te realiseren die niet alleen zeer energie-efficiënt en duurzaam zijn, maar ook in staat zijn om een constante, betrouwbare toevoer van drinkwater te leveren in buitenaardse omgevingen.

Deze uitgebreide recensie werd geleid door David Bamidele Olawade, een onderzoeker op het gebied van volksgezondheid verbonden aan de University of East London, de Medway NHS Foundation Trust en de York St John University. Hij werd vergezeld door James O. Ijiwade, onderzoeker in milieuwetenschappen en nanotechnologie van de Universiteit van Ibadan, Nigeria, en Ojima Zechariah Wada, postdoctoraal onderzoeker gespecialiseerd in waterbeheer en milieu-biotechnologie aan de Hamad Bin Khalifa University, Qatar. Hun collectieve expertise biedt een multidisciplinair perspectief op de complexiteit van waterduurzaamheid in de ruimte.

Hoewel het ECLSS van het ISS dient als een waardevol blauwdruk voor waterrecycling in gesloten kringloop, zijn de beperkingen ervan voor toekomstige diepe ruimtevluchten duidelijk. Het ISS profiteert van relatief snelle aanvullingsmogelijkheden vanaf de aarde, maar de logistieke en financiële lasten zijn immens. Officiële schattingen suggereren dat het transport van slechts één kilogram water tienduizenden dollars kan kosten, met kosten die exponentieel stijgen voor missies naar verder weg gelegen hemellichamen. Deze financiële barrière, samen met de beperkte laadcapaciteit van ruimtevaartuigen, beperkt de hoeveelheid vracht, inclusief water, die kan worden vervoerd ernstig.

Bovendien verbruiken huidige systemen zoals ECLSS veel energie, waardoor ze onpraktisch zijn voor gebruik buiten een lage baan om de aarde (LEO). Hun efficiëntieniveaus zijn ook onvoldoende voor onbeperkte duurzaamheid. De winning van hulpbronnen op buitenaardse locaties presenteert een unieke reeks obstakels, waaronder microzwaartekracht, vacuümcondities, extreme temperatuurschommelingen, gewichtsbeperkingen en moeilijkheden bij data-analyse en communicatie. In afgelegen omgevingen, zoals de maankegels of de diepe ruimte, waar de beschikbaarheid van zonne-energie intermitterend is vanwege lange perioden van duisternis, is de ontwikkeling van alternatieve en betrouwbare energiebronnen cruciaal.

Onderhoud is een andere kritische overweging. Conventionele waterrecyclingsystemen zijn onderhevig aan corrosie en slijtage na verloop van tijd. Voor langdurige missies is de mogelijkheid om regelmatig onderhoud uit te voeren ernstig beperkt, waardoor de duurzaamheid en levensduur van het systeem primair worden. Om deze hindernissen te overwinnen, onderzochten Olawade en zijn collega's recente vooruitgang in filtertechnologieën, nieuwe desinfectiemethoden en autonoom systeembeheer. Het ECLSS van het ISS biedt een basis, maar toekomstige systemen moeten worden ontworpen voor hogere energie-efficiëntie en verbeterde weerstand tegen degradatie in harde ruimteomgevingen.

De onderzoekers benadrukken sterk het belang van In-Situ Resource Utilization (ISRU) – de praktijk van het verkrijgen en gebruiken van materialen die ter plaatse worden gevonden. ISRU is een hoeksteen van plannen voor toekomstige maan- en Marsverkenning. Het Artemis-programma van NASA streeft er bijvoorbeeld naar om een maanbasis te vestigen in het resource-rijke Aitken Basin op de Zuidpool, een gebied gekenmerkt door talloze kraters. Het Internationale Maanonderzoek Station (ILRS) van China en de visie van het Europese Ruimtevaartagentschap op een Internationaal Maandorp richten zich ook op deze regio, voornamelijk vanwege de bevestigde aanwezigheid van overvloedig waterijs binnen permanent beschaduwde regio's (PSRs).

Vergelijkbare strategische overwegingen sturen de planning van Marsmissies. Robotverkenners hebben jarenlang potentiële waterbronnen op het Marsoppervlak geïdentificeerd, met name in de middelste breedtegraden. De winning en zuivering van buitenaards water brengt echter aanzienlijke technische en logistieke uitdagingen met zich mee. Dit omvat de ontwikkeling van gespecialiseerde apparatuur die in staat is om waterreserves te benaderen en te verwerken die mogelijk begraven liggen onder het Mars-regoliet. Bovendien is de kwaliteit van het grondwater op Mars een zorg, met hoge concentraties perchloraten en andere potentieel schadelijke organische verbindingen die geavanceerde zuiveringstechnieken vereisen om het veilig te maken voor menselijke consumptie en levensondersteunende systemen.

Bijgevolg zijn geavanceerde extractie- en zuiveringssystemen essentieel, naast energiesystemen die even duurzaam, robuust en aangepast aan extreme buitenaardse omstandigheden zijn. In wezen moeten water systemen voor de ruimte gesloten-lus, zeer efficiënt, robuust en minimaal energieafhankelijk zijn. Om de aanzienlijke energiebehoeften van extractie- en zuiveringssystemen aan te pakken, onderzoekt de studie diverse toepassingen van zonne- en zonnethermische energie. Deze zouden kritische processen kunnen aandrijven zoals waterpompen, ontzilting (met behulp van methoden zoals omgekeerde osmose of elektrodialyse) en zuivering (via fotokatalyse of geavanceerde filtratie). Dergelijke gedecentraliseerde systemen zijn ideaal voor buitenaardse habitats waar grootschalige energiecentrales onhaalbaar zijn.

Fotothermische systemen, die zonnestraling omzetten in warmte, bieden veelzijdige toepassingen, van zonne-destillatie tot ontzilting. Hybride fotovoltaïsche-thermische (PV-T) oplossingen kunnen de efficiëntie verder verbeteren door tegelijkertijd elektriciteit te genereren voor pompen en filters, terwijl ze ook warmte produceren voor waterbehandeling. Niettemin stuit de afhankelijkheid van zonne-energie op beperkingen, met name in de polaire maanregio's met lange perioden van duisternis en op Mars, dat aanzienlijk minder zonnestraling ontvangt dan de aarde (ongeveer 43% tot 60%). Hiertoe onderzoeken de onderzoekers ook het potentieel van kleine modulaire kernreactoren. Deze worden momenteel overwogen voor toekomstige maan- en Marsbases, zoals geïllustreerd door NASA's KRUSTY-programma (Kilopower Reactor Using Stirling Technology).

De studie beschouwt ook recente vorderingen in bioreactoren en gentechnologie, die innovatieve oplossingen kunnen bieden voor waterverwerking en afvalbeheer in de ruimte. Vooruitgang op deze onderling verbonden gebieden is cruciaal voor het mogelijk maken van duurzame menselijke bewoning buiten de aarde en het waarborgen van het welzijn van toekomstige ruimtevaarders.

Ekhbary Nieuwsagentschap