Hogyan kakilhat, mint egy űrhajós

A Marshoz való eljutáshoz jobb űrhelyiségekre van szükségünk

Ha az emberek a Marsra, vagy az aszteroidáimra mennek, akkor az újrahasznosítás számít. Ez pedig minden újrahasznosítását jelenti - az emberi hulladékot is beleértve.

A NASA némi erőfeszítést tett a probléma megoldása érdekében, mert az újrahasznosítás olyan elengedhetetlen része egy űrhajó építésének, amely az embereket el tudja juttatni a Marsra vagy bárhová máshova. A bolygóközi küldetések nem lesznek képesek beszerezni a Földről az ellátást. Az erőforrások korlátozottak lesznek, és ez azt jelenti, hogy "lezárják a hurkot" - nem engedheti meg magának, hogy eldobjon semmit, még az emberi kakakat sem. Bármely űrhajó tervezésénél ezt figyelembe kell venni.

"El kell kezdeni egy életfenntartó rendszert, és űrhajót kell építeni köréje" - mondja Marc Cohen, az Astrotecture, az űrépítészetre szakosodott tanácsadó cég elnöke.

Az eddigi történet

Először néhány tény az emberi kakilról. Egy egészséges ember naponta körülbelül 128 gramm székletet termel, vagyis körülbelül 46,7 kilogramm (102 font) egy évben - állítja az orvosi szakirodalom. A Marsra küldött misszióra, amely két-három évig tarthat, hatfős legénység (a 2004 - es álláspont szerint) A marslakó) 300 font székletet termelne.

Az Apollo-korszakban a WC műanyag zacskó volt, amely az űrhajós fenekéhez volt erősítve

Az Apollo-korszakban a WC műanyag zacskó volt, amelyet ragasztóval rögzítettek az űrhajósok fenekéhez. A vizeletet óvszerszerű eszközzel összegyűjtötték és az űrbe vezették. Híresen - vagy hírhedten - az utolsó Merkúr 1963-as járata valóban meghibásodott a rendszerben, mert a vizeletgyűjtő zsák kiszivárgott. Nyilvánvaló, hogy a táskák nem működtek. A lebegő emberi hulladék szintén veszélyes az egészségre, mivel apró vizelet- vagy ürülékeket lehet belélegezni, miközben ezek lebegnek.

Írja be Don "Doctor Flush" Rethke nyugalmazott mérnököt a Hamilton Standard-tól (jelenleg UTC Aerospace Systems). Rethke a NASA-val megy vissza; az Apollo 13 küldetés életmentésén dolgozott. Tervezett egy komódot, amely külön veszi be a vizeletet és a székletet. Szívást alkalmazott - elengedhetetlen, mert nulla g-ban a folyadékok gömbökké válnak és lebegnek, és a szilárd hulladék nem csak a tálba esik. A vizeletet csésze-szerű formában gyűjtötték össze, míg a szilárd anyagot egy tartályba szívták és vákuumnak tették ki - hatékonyan fagyasztva szárítva és összenyomva. "Székletpogácsának hívtuk őket" - mondja Rethke.

Változata a Nemzetközi Űrállomáson van, két nagy különbség van: az egyik az, hogy a vizeletet most úgy kezelik, hogy a vizet eltávolítsák és újra felhasználhassák, a másik pedig az, hogy az új rendszer ürülék. (Az ISS újrahasznosító rendszere a levegő nedvességét is magába szívja, ami nagyrészt az űrhajósok verejtéke és kilégzése.) Ami a szilárd hulladékot illeti, a transzfer korszakában éppen visszahozták. Az ISS-en műanyag vagy fém edényekben tárolják. Amikor ezek megtelik, az űrhajósok berakják őket egy használt orosz haladás járműre, kinyitják az ISS-től, és hagyják, hogy a Földre essen, hogy a légkörben égjen, az ISS többi szeméttel együtt. (Gondoljon erre, amikor legközelebb meteorzáporot lát.)

Pár okból nem lehet székletet kidobni egy légzáron. Az egyik az, hogy bármi, amit az űrhajóból elengednek, érdemi lökés nélkül nem megy túl messzire. Tehát ha kidob valamit, az egyszerűen követi a pályáját - minden „eldobott” hulladék egészen a Marsig követne benneteket. Eltolása azt jelentené, mint egy légzár kinyitása, még némi levegővel, egyfajta robbanásszerű dekompresszió biztosítására. Ez pazarolná a levegőt.

Aztán ott van az a pálya probléma - még ha a hulladék is eltávolodik valamilyen távolságból, blokkjai a hajó körüli különböző pontokba sodródhatnak, és kiszámíthatatlan pályákra léphetnek. (A transzfer és az Apollo-korszakok során nem volt szokatlan, hogy az űrhajó találkozott a korábban kiszellőztetett vizelet-jég kristályfelhőkkel.) Ennek következtében egy konténer kidobása az űrhajó mögött meglehetősen veszélyes. "Amikor célkitűzése közelében jár, hirtelen megállni fog" - mondja John W. Fisher, a NASA Ames Kutatóközpontjának munkatársa, aki számos cikket írt a hulladék űrben történő újrafeldolgozásáról. "Ha lecsapsz a fékre, akkor a hátsó részed üt." Egy font zacskó, ami ütközik egy lassuló űrhajóba, rengeteg erőt képes feltölteni.

A második probléma az, hogy néhány emberi ürülék - most fagyasztva szárítva az űrben - valószínűleg visszatelepedne a hajóra; jelentős lökés hiányában a túrák csak lógni fognak. A kaka, most porszerű, kristályos formában, az ablakokra kerülne - mondja Fisher. Az optikai érzékelőket is megrontaná. A szélvédőn lévő madárürülékektől eltérően nincs lehetőség lehúzni róla.

Tehát tárolnia kell - mondja Rethke. Az ingajárat kezdeti napjaiban hűtésre gondoltak, hogy megakadályozzák a baktériumok szaporodását. "Ez energiát igényel, és ezt felesleges rendszerrel kell alátámasztania" - mondja.

Emellett az ürülék eldobása valójában az utolsó dolog, amit az űrszemélyzet szeretne - túl sok hasznos dolog van benne. Körülbelül 75 százaléka víz, a belünkből és az emberi sejtekből származó baktériumok mellett. A szilárd tömeg mintegy 80 százaléka szerves molekula, ami szenet tartalmazó vegyületeket jelent. Ennek körülbelül egynegyede bakteriális biomassza, másik negyede fehérje, másik része emésztetlen növényi anyag (főleg rost), kisebb százalékban pedig zsír. A szerves vegyszerek és a víz olyanok, mint az arany az űrben.

A Marson az emberi kakil legalább egy jó műtrágya lenne az élelmiszer termesztéséhez - mondja Rethke. - Gombafoltba tenném - hadd vigyázzon rá a Mars.

Újrafelhasználás, újrahasznosítás

Nem csak az emberi ürüléknek kell újrahasznosítania. Az emberek sok szemetet termelnek. Mindez bonyolultabbá teszi az újrafeldolgozás és az újrafelhasználás problémáját. Bármely gépnek ennek könnyűnek kell lennie, mert bármit pályára dobni drága, több ezer dollár fontonként. Ezeknek a gépeknek is kicsieknek kell lenniük, mert csak annyi hely van egy űrmodulban. És megbízhatóan kell dolgozniuk, és könnyen javíthatóknak kell lenniük, mert a Föld és a Mars között nincs segítség.

Jay Perry, a NASA Marshall Űrrepülési Központjának környezetvédelmi és életmentő rendszerek vezető repülőmérnöke szerint az ilyen rendszerek tervezése bonyolult. Vegyünk például vizeletet: a víz és a vizelet elválasztása viszonylag egyszerű a Földön, de nulla gravitációs környezetben a helyzet megváltozik.

Például a súlytalan űrhajósok csontjai elveszítik tömegüket és sűrűségüket, mivel nincs rájuk terhelés. Ezért van az ISS jelenlegi űrhajósainak szigorú gyakorlási rendje. A csonttömeg kalciumként választódik ki, majd a vizeletbe jut. Ez korlátozza a vízmennyiség kihúzását, mert a maradék cucc koncentrált sóoldat, "kellemetlen dolgok, amelyekkel foglalkozni kell". A United Technologies Aerospace Systems 2013-as tanulmánya megállapította, hogy a kalcium kis veseköveket képez, amelyek eltömíthetik a WC-k szelepeit.

Az emberi ürülék hasonló kihívások elé állítja mind a nulla gravitációt, mind pedig annak kiderítését, hogy mely vegyszereket szeretné megtakarítani. Ezenkívül felmerül a szükséges energia és a felépítendő rendszer összetettségének kérdése. A United Technologies tanulmánya például megjegyezte, hogy a jelenlegi űrhelyiségek gépekkel tömörítik a kakát. Ez növeli a bonyolultságot - ehelyett a tanulmány egy kézi kart javasol, amely nem igényel áramot (kivéve azt, amelyet a személyzet tagjának karja biztosít).

Noha sok hasznos vegyi anyag van a kakiban, mindegyiket nem könnyű elválasztani. A vegyi WC-k és a szeptikus tartályok haszontalanok lennének. A vegyi illemhelyek nem igazán működnek, mert a hulladék lebontására használt vegyületeket még mindig fel kellene küldeni az űrhajósokkal. Szüksége lenne több száz-ezer gallonra e kék színű anyagból egy hosszú évekig tartó utazáshoz, és a legtöbbje víz - gyakorlatilag tonna vizet adna hozzá, amelyet csak WC-kben használnának, ami nem ' t nagyon hatékony. A szeptikus tartályok működése a gravitációtól függ - és még mindig valahol tárolnia kell az ürüléket.

Rethke elmondta, hogy a természetes biodegradáció használatát részesítette előnyben; egyszerűen hagyja, hogy a komódból származó ürülék (és bármi más - "menstruációs hulladék, hányás, minden benne van") egy fémtartályban fermentálódjon valamilyen aktív szénnel, hogy megakadályozza a szagokat. A tartályból gáz szabadulhat fel - szinte minden szén-dioxid lenne -, amelyet az űrhajó súrolói elég jól kezelni tudnának. Még egy ilyen eszközt is épített. "Több hónapra letettem az asztalomra" - mondja. - Senki sem vette észre. Amint az űrhajósok eljutnak a Marsra, a konténerekben lévő cucc műtrágya lehet. A lenti oldal a tároló - a kötetek összeadódni kezdenek.

Bármilyen furcsán is hangzik, a kaki jó sugárvédelmet eredményezhet

Bármilyen furcsán hangzik is, a kakó jó sugárzásvédelmet nyújt. Az űrben két olyan ionizáló sugárforrás létezik, amely károsíthatja az űrhajósokat. Az egyik a galaktikus kozmikus sugarak (vagy GCR) háttere. A másik egy napvihar, amelyet "napszemcsés eseménynek" vagy SPE-nek neveznek. Mindkettő töltött részecskékből áll, többnyire protonokból.

Ezek a sugárforrások kevésbé jelentenek problémát az ISS űrhajósok számára, mert még mindig a Föld védő mágneses mezőjében vannak. De ha az űrhajósok elhagyják ezt a mezőt, az SPE akut sugárbetegséget okozhat, míg a kozmikus sugarak növelik a rák kockázatát.

A leghatékonyabb árnyékolás a szilárd hidrogén, mert az elem könnyebben eltéríti a repülő részecskéket. De a szilárd hidrogén nem áll rendelkezésre egy gázóriáson kívül, és a folyékony hidrogént nehéz kezelni, magas nyomás, kriogén hőmérséklet vagy mindkettő szükséges. A következő legjobb dolog a víz, amelyben sok hidrogén van, vagy a polietilén. Az ólomhoz hasonló fém árnyékolás, amely jó védelmet nyújt a gamma és a röntgensugarak ellen, valójában rosszabb, mint egyáltalán nem árnyékolni, mert a protonok eltalálják a fém atomjait, és más részecskék kaszkádjait hozzák létre, még károsabb sugárzást létrehozva.

Jack Miller, a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium atomfizikusa, Michael Flynn és Marc Cohen, a NASA Ames Kutatóközpontjának munkatársaival együtt a NASA támogatásából finanszírozott kísérletet hajtott végre annak megállapítására, hogy az emberi hulladék mennyire működik sugárzásvédelemként. Kollégái nem tudtak valódi ürüléket használni; ehelyett egy miso, mogyoróolaj, propilén-glikol, psyllium héj, só, karbamid és élesztő által készített szimulált poót használtak. A cél nem az volt, hogy pontosan megismételjük a tényleges vegyi anyagokat a székletben; valami nagyjából hasonlót akartak, amely megtartotta a vizet, és hasonlóan elnyelte a sugárzást és a részecskéket.

Részecskesugárba tették, hogy lássák, mennyire jól felszívja a repülő protonok energiáját. A nyaláb körülbelül ugyanolyan energikus volt, mint a térben általában található részecskék. A széklet szimulátor mérhető mennyiségű energiát vett fel, és a csapat megállapította, hogy a vastagság számít. Túl vékony, és a probléma súlyosbodik ugyanabból az okból, amiért a fémek rosszul árnyékolódnak - az űrbeli részecskék kaszkádokat alkotnak. Számítani tudtak azonban arra, hogy egy körülbelül 8–11 hüvelyk vastag fekáliapajzs sokat csökkentené a sugárzási dózist. Ez jó eredmény volt, bár Miller megjegyezte, hogy a helyzet összetettebb.

Ne feledje, hogy a világűrben kétféle sugárzás létezik: az SPE-k és a kozmikus sugarak háttérsugárzása. A kozmikus sugarak ötször annyi energiát hordoznak, mint az SPE részecskék, és ezek növelhetik a rák kockázatát. (A NASA szabályai szerint az asztronautákra jelentett megnövekedett kockázat nem lehet több, mint 3 százalékkal meghaladja az általános populációt.) A székletszimulátor nem volt olyan jó megállítani ezeket, de ez várható volt. "A GCR energiája olyan magas, hogy bármit át fog ütni" - mondja Miller. "Tehát megpróbálja egyensúlyba hozni a kockázat elérését a lehető legkisebb mértékben."

Nem teheti egyszerűen az ürüléket zárt tasakokba vagy fémtartályokba

Más kérdés, hogy nem lehet egyszerűen elhelyezni az ürüléket zárt tasakokba vagy fémtartályokba, mert az általuk generált CO2 és más gázok felrobbanhatnak, hiányozva valamilyen "lélegző" mechanizmus, mint Rethke műtrágyagyártási elképzelésében. Tehát a hulladék sterilizálása jó ötlet lehet.

Ehhez néhány javasolt rendszer hatékonyan elégeti a hulladékot oxigén nélkül, ezt a folyamatot pirolízisnek nevezik. Ez lehetővé teszi a víz azonnali felhasználását is. A Connecticutban, Kelet-Hartfordban található Advanced Fuel Research egy olyan változatot kutat, amelyet torrefakciónak neveznek (amely kevesebb energiát igényel, mint az egyenes pirolízis). A hulladék 550 Fahrenheit fokig (300 Celsius fok) melegszik. Maradt valami kompakt és száraz, főleg szén. Ugyanakkor sok hidrogént tart vissza.

Rethke megjegyzi, hogy a pirolízissel vagy a torrefakcióval való kompromisszumot kell kezdeni a megmaradt szénnel. "Ha tégla, az egy dolog" - mondja. - De a por keményebb. Ne feledje, hogy nincs gravitáció, ezért minden részecske körül fog lebegni, és megrongálhatja a légbeömlőket. Szüksége lenne tehát valamilyen módon a szén tömörítésére a tárolásához.

Az egész hulladékot téglává lehetne tenni, mondja Serio. Veszel minden szemetet - élelmiszer-csomagolókat, emberi hulladékot, mindent -, és annyira felmelegíted, hogy téglává olvadjon. Ez csökkenti a mennyiséget és méregteleníti a hulladékot. Ez jó részleges sugárvédő pajzsok készítéséhez, vagy akár Serio szerint egy tégla egy marsi (vagy holdi) élőhely számára. A Serio más cégekkel dolgozik együtt, hogy megtudja, van-e mód valamilyen fűtött újrahasznosítás beépítésére egy komódba. A nagy kihívás az lenne, hogy elég kompakt és gyors legyen, hogy a WC-t hosszabb időre ne állítsa üzembehelyezésre.

Ezek az újrafeldolgozási technológiák mind eléggé ígéretesek. Cohen ugyanakkor némi csalódottságát fejezte ki amiatt, ahogy a NASA megközelítette a finanszírozást. Cohen, Miller és Ray Flynn (Ames) munkatársa a sugárvédő kísérletek kapcsán azt állítja, hogy az egyszerű tüntetőkön kívül alig történt fejlődés. A NASA nem tervezi kifejezetten a Mars-küldetést - a legközelebb az útitervhez érkeztek. "Olyan mély visszavágások történtek, hogy nehéz bármit is finanszírozni" - mondja.

Ennek ellenére a NASA-nak ki kell találnia valamit, ha az ügynökség komolyan gondolja, hogy kimegy a Föld pályájáról - még ha csak azért is, hogy visszatérjen a Holdra. "A NASA azt szeretné, ha ledobna egy zacskó kakát a tartályba - talán feldolgozza közvetlenül a komód alatt" - mondja Serio.

Rethke hozzátette, hogy bármilyen rendszer is működik, beépített redundanciával és valamilyen módon javítani kell. A természetes baktériumok, megjegyzi, remek munkát végeznek a dolgok lebontásában, működésükhöz nincs szükségük összetett gépekre, nem használnak áramot, és nagyon hasznos vegyszereket állítanak elő a folyamat során. (A szén-dioxidot például hidrogénnel "elégethetik" metán és víz előállításához.) Ez az egyik oka annak, hogy szereti a természetes biodegradációt. "Mindez arról szól, hogy mennyi energiát kell felhasználni a visszanyeréshez, szemben a tárolással, és a súlyhoz képest" - mondja Rethke. - Szeretek egyszerűvé tenni a dolgokat.

Helyesbítés: Szerkesztési hiba miatt az "mindegyik" szó ki volt ejtve egy mondatból, amely arról szól, hogy a Marsra tartó útközbeni hatfős személyzet mennyi kakát termel; minden űrhajós 300 font székletet termelne - összesen nem 300 font. Sajnáljuk a hibát.