NASA testuje system oczyszczania ścieków dla przyszłej bazy na Księżycu

Mobilny system oczyszczania ścieków, zbudowany w Centrum Kosmicznym NASA Kennedy na Florydzie, który ma pomóc w przygotowaniach do długotrwałych misji na Księżycu i Marsie, opuścił kosmodrom i dotarł na Uniwersytet Północnej Dakoty w Grand Forks. Studenci magisterscy na uniwersytecie będą testować tę technologię w warunkach zaprojektowanych tak, aby jak najbliżej odwzorować wyzwania związane z działaniem na innej planecie.

Divergent Deployable Wastewater Treatment Facility ma na celu przekształcanie ścieków załogi w użyteczne zasoby, które przyszli odkrywcy będą potrzebować na co dzień. Na Uniwersytecie Północnej Dakoty zespoły zintegrują ten nowy system oczyszczania ścieków z Zintegrowanym Analogowym Habitatem Księżycowym/Marsjańskim uniwersytetu. Operatorzy studenccy i badacze NASA będą badać, jak obiekt działa, gdy jest podłączony do środowiska przypominającego habitat i wystawiony na rodzaje ograniczeń operacyjnych, z jakimi załogi mogą się spotkać na innej planecie.

„Program Artemis NASA kładzie fundamenty pod trwałą obecność ludzi na Księżycu, gdzie habity będą musiały działać daleko od stabilnego łańcucha dostaw, który wspiera astronautów w częściowej grawitacji” – powiedział Luke Roberson, lider systemów wód powierzchniowych w Biurze Kampanii Marsjańskiej w NASA Kennedy. „Aby rozwiązać ten problem, rozwijamy przyszłość zrównoważonych systemów powierzchniowych Księżyca, które przetwarzają ścieki na składniki odżywcze dla roślin i bioprodukcji.”

Jak działa system oczyszczania

Umieszczony w przyczepie o wymiarach 8,5 na 24 stopy, obiekt łączy trzy systemy reaktorów biologicznych, pionowy ogród, sprzęt do polerowania wody, monitoring środowiskowy, oprogramowanie do autonomicznej kontroli oraz systemy bezpieczeństwa. Przyczepa została wyposażona w NASA Kennedy, aby działać jako laboratorium mobilne i podróżować między co najmniej dwoma miejscami testowymi symulacyjnymi w miarę rozwoju technologii.

W przeciwieństwie do systemów oczyszczania ścieków na Ziemi, ten obiekt utrzymuje strumienie odpadów oddzielnie. To rozdzielenie jest ważne dla małych załóg, ponieważ ścieki od czterech do ośmiu osób mogą być bardzo skoncentrowane. Mocz, woda higieniczna, woda z prania, odpady fekalne i odpady żywnościowe zawierają różne poziomy soli, ciał stałych, węgla, azotu, fosforu i innych związków. Oddzielne ich przetwarzanie pozwala każdemu strumieniowi być przetwarzanym przez reaktor najlepiej dopasowany do danego zadania.

Aby to osiągnąć, system wykorzystuje trzy różne bioreaktory do przetwarzania strumieni odpadów. Anaerobowy fototroficzny bioreaktor membranowy przetwarza odpady fekalne i żywnościowe, przekształcając je w bogate w składniki odżywcze ścieki, które mogą wspierać wzrost roślin. Zawieszony aerobowy bioreaktor membranowy przetwarza mocz i wodę spłukującą. Bioreaktor membranowy napowietrzany biologicznie przetwarza szare wody z działań higienicznych i prania. Łącznie bioreaktory przetwarzają składniki odżywcze, aby zasilać pionowy ogród obiektu i przygotować wodę do ponownego użycia. W tym ogrodzie rośliny będą rosły hydroponicznie, czyli bez użycia gleby, korzystając z roztworów odżywczych pochodzących z bioreaktorów. Badacze porównają wydajność upraw z roślinami hodowanymi przy użyciu standardowych składników odżywczych hydroponicznych.

Na Północnej Dakocie, w ramach grantu NASA EPSCoR (Established Program to Stimulate Competitive Research), obiekt został połączony z Zintegrowanym Analogowym Habitatem Księżycowym/Marsjańskim poprzez interfejs łazienkowy, który obejmuje toaletę oddzielającą mocz. Umożliwi to oddzielanie różnych strumieni odpadów u źródła i przesyłanie ich do odpowiednich systemów oczyszczania. Równolegle zespół Ali Alshami rozwija nowatorskie technologie separacji oparte na membranach, które mają być przyszłościowo zintegrowane z obiektem oczyszczania ścieków, aby poprawić efektywność odzyskiwania wody, odrzucanie zanieczyszczeń oraz ogólną odporność systemu na długotrwałe misje zamieszkania.

„Testy pomogą NASA ocenić rzeczywistą operacyjność, potrzeby szkoleniowe załogi, niezawodność systemu oraz jak symulanty ścieków porównują się z rzeczywistymi odpadami metabolicznymi ludzi w środowisku misji analogowej” – powiedział Alshami.

Te wysiłki koncentrują się na rozwijaniu kompaktowych, energooszczędnych podejść do oczyszczania, zdolnych do radzenia sobie z złożonymi strumieniami ścieków generowanymi w zamkniętych, pozaziemskich środowiskach.

„Kampania testowa na Uniwersytecie Północnej Dakoty wspiera dojrzewanie technologii obiektu od walidacji w skali laboratoryjnej do demonstracji w odpowiednim środowisku Inflatable Lunar/Martian Analog Habitat” – powiedział Pablo De Leon, profesor i przewodniczący Katedry Badań Kosmicznych na Uniwersytecie Północnej Dakoty.

Wnioski wyciągnięte z tych testów mogą informować przyszłe testy o wyższej wierności, w tym potencjalną integrację z następną generacją rocznych symulowanych misji na Marsa poprzez analogi izolacyjne w Centrum Kosmicznym Johnsona NASA w Houston.

Technologia dla zrównoważonej bazy na Księżycu

Prace te są częścią szerszego wysiłku NASA w zakresie Bioregeneracyjnych Systemów Wsparcia Życia, które rozwijają biologiczne podejścia do zmniejszenia zależności od dostaw konsumpcyjnych z Ziemi. W przyszłych habitatach księżycowych lub marsjańskich systemy takie jak obiekt oczyszczania ścieków mogą pomóc w zamykaniu pętli wsparcia życia poprzez odzyskiwanie wody, recykling składników odżywczych, wspieranie produkcji upraw oraz zmniejszanie ilości odpadów, które muszą być przechowywane lub usuwane. Dalsze badania NASA wykazały, jak bioregeneracyjne wsparcie życia staje się bardziej efektywne dla podróży kosmicznych w porównaniu do obecnych technologii wsparcia życia.

Badacze NASA badają również, jak zasoby odzyskane z ścieków mogą wspierać produkcję w przestrzeni. Jednym z działań jest badanie, jak woda bogata w składniki odżywcze z bioregeneracyjnych systemów oczyszczania ścieków może zasilać mikroby produkujące kwas mlekowy, który można przekształcić w kwas polimlekowy. Materiał ten mógłby pewnego dnia służyć jako spoiwo do druku 3D z regolitów księżycowych lub marsjańskich, luźnego materiału powierzchniowego, lub mógłby być używany do części zamiennych, rozszerzając wartość odzyskanych odpadów poza systemy wodne i żywnościowe.

„Przesyłając obiekt z NASA Kennedy do Północnej Dakoty, agencja przenosi kluczową część tej gospodarki cyrkularnej z laboratorium do rzeczywistego testu” – powiedział J.J. Edelmann, lider domeny systemów powierzchniowych w Biurze Kampanii Marsjańskiej w siedzibie NASA w Waszyngtonie. „Prace mogą zaczynać się od ścieków, ale ich cel jest znacznie większy. Chcemy pomóc przyszłym załogom żyć w sposób zrównoważony na Księżycu, nauczyć się działać dalej od Ziemi i przenieść te lekcje na Marsa.”

Aby dowiedzieć się więcej o eksploracji Księżyca i Marsa przez agencję, odwiedź:

https://nasa.gov/esdmd