Astronautische Weltraumexploration und Habitate

• Metabolic Rate
• Gas Exchange
• Water Exchange
• Food Supply
• Waste Production

• Sie gibt den Energieumsatz pro Zeitspanne, bezogen auf einen Organismus, an
• Definiert alle Inputs/Outputs des Menschen auf Basis der Energie
• Variiert nach:
  • Geschlecht
  • Anatomy
  • Umwelt
  • Aktivität

• Ca. ¼ bzw. 25%

• Wasser Input bei Mensch ist nicht gleich Output
• Oxidationswasser:  entsteht durch den Abbau von Nahrungsstoffen (Fette, Kohlenhydrate und Proteine) in den Zellen von Tier und Mensch im Zellstoffwechsel

• Alles schon vorgepackt/vorgekocht
• Muss nur noch rehydriert und erwärmt werden

• Kleine relative Gesamtmasse
• Benötigt aber spezielle Behandlung da es sind schädlich für den Menschen ist

• Input: Essen (MJ) -> Output: Wärme (MJ)
• Input: Sauerstoff -> Output: Kohlenstoffdioxid
• Input: Trinkwasser  -> Output: Urin/Kaka/Wasserverlust Atem/Schwitzen
• Input: Wasser in Essen -> Output: Urin/Kaka/Wasserverlust Atem/Schwitzen
• Input: Metabolisches Wasser -> Output: Urin/Kaka/Wasserverlust Atem/Schwitzen
• Input: Essen (trocken, kg) -> Output: Kaka, Schwitzen (Salze), Urin (Fest)
• Wasser (Hygiene) -> Abwasser
• Consumables -> Abfall

• Reaktion auf unkontrollierten Druckverlust
• Reaktion auf unkontrollierten Druckbeaufschlagung
• Reaktion auf Feuer
• Reaktion auf gefährliche Strahlung
• Reaktion auf gefährliche Atmosphäre
• Kontrolle von Spurengasen
• Kontrolle von über die Luft übertragenen Partikeln
• Kontrolle von Mikroorganismen
• Zu Verfügung stellen von: inert Gas
• Zu Verfügung stellen von: Sauerstoff
• Zu Verfügung stellen von: Wasser
• Zu Verfügung stellen von: Essen
• Managen von: CO2
• Managen von: Abwasser
• Managen von: Gasförmigem, flüssigem und festem Abfall
• Bieten von health monitoring
• Bieten von medizinischer Unterstützung
• Unterstützung der Zeit-Kontrolle
• Unterstützt Gravitationsgegenmassnahmen

• Nicht wieder verwendbare Systeme
• Wieder verwendbare Systeme

• Durch Elektrolyse: 2 H2O + Energie -> 2 H2 + O2 + Hitze
• Erfordert Gleichstrom
• Es können verschiedene Materialien für die Membran, Kathode und Anode verwendet werden
• Es ist einfacher H20 zu transportieren als O2

• Bosch Reaktor:
  • Braucht pures H2 und pures CO2
  • Ist Exothermische Reaktion, also erzeugt Wärme
  • Erzeugt Temperaturen von 700-1000 K
  • CO2 + 2 H2 -> 2 H2O + C + Wärme
  • Catalyst: Kohlenstoffablagerungen, muss regelmäßig gewechselt werden
• Sabatier Reaktor:
  • Ähnlich wie Bosch Reaktor, produziert aber CH4 anstelle von C
  • Exothermische Reaktion
  • Braucht pures H2 und pures CO2
  • Benötigt hohe Temperaturen
  • Kann kontinuierlich genutzt werden
  • CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O

• 2 H2O -> Elektrolyse -> O2 + 2 H2 -> Atmen -> CO2 + 2 H2 + 2 H2 (dazugefügt) -> Sabatier ->   2 H2O + CH4 (ins Weltall)

• Ein Condensing heat exchanger wird zur Regulierung von Luftfeuchtigkeit und Temperatur genutzt

Wasser:

• Reverse Osmosis:
  • Wasser wird durch eine Membran gepumpt
  • Die Membran filtert Partikel heraus
  • Die dabei entstandene Sole wird wie Urin behandelt
  • Anschließend muss das Wasser weiter behandelt werden
  • Energieverbrauch gering
• Multifiltration:
  • Eine Reihe von Filter Beds mit Absorptionsmittel und  Ionenaustauscherharze
  • Workflow:
    • Feinstaub entfernen
    • Aktivkohlefilter
    • Anorganisches Salz entfernen mit  Ionenaustausch
  • Geringer Energieverbrauch
  • Einfaches System

Urin:

• Vapor Compression Distillation
  • Prozess mit Phasenübergang
  • Zuerst wird der Dampf komprimiert um die Sättigungstemperatur zu erhöhen, dann mir das Gas kondensiert
  • Thermisch passiver Prozess
  • Water recovery rate > 96%
  • Vorbehandlung mit Ozon und Sulfitsäure
  • Nachbehandlung mit Multifiltration und Reverse Osmosis
  • Nachteil: Rotierende Teile
• Thermoelectric Integrated Mambrane Evaporation System (TIMES)
  • Prozess mit Phasenübergang
  • Vorbehandlung mit Ozon und Sulfitsäure
  • Nachbehandlung notwendig
  • Water recovery rate > 95%
  • Nicht so Energieeffizient wie VCD
  • Nutzt Membran Verdampfer und thermoelectrische Hitze Pumpe
• Bestes System: Vapor Phase Catalytic Ammonia Removal, noch nicht Technologie Ready

• Quantitativ:
  • Masse
  • Volumen
  • Energieverbrauch
  • Kühlungskosten
  • Zeit für Wartungsarbeiten
  • Kosten
• Qualitativ
  • Technologie Status und Kosten
  • Sicherheit
  • Verbesserungspotential
  • Kompatibilität

• Atmosphäre
• Lithosphäre
• Hydrosphäre

• Nutzung der Schlüsselelemente und Mechanismen welche in der Natur vorhanden sind und diese in einem geschlossenen Habitat nachzubilden
• Zum Beispiel durch:
  • Algen
  • Bakterien
  • Höhere Pflanzen
  • Tiere

• Foto-Bio-Reaktoren zum CO2 Abbau und dir Produktion von Nahrung und O2

• Harvest-Index: > 90%
• Große Biomassen Produktivität
• Geringer Wasser Verbrauch
• Potentielle Nahrungsquelle
• Viel Protein

• Kleben an Platten, was den Anbau erschwert
• Ernte und Weiterverarbeitung

• Können als Teilsystem Organische Materie zersetzen

• Vorteile:
  • In Poly-Kultur: Einfacher Prozess
  • Restart Capability
  • Biological factories
• Nachteile:
  • In Monokulturen: Schwer zu kontrollieren
  • Ausgassen
  • Risiko von Pathogene

• Vorteile:
  • Essen
  • Wasser Recycling
  • O2 Produktion
  • Potentielle Quelle für Baumaterial
  • Gut für mentale Gesundheit
• Nachteile:
  • Komplizierter Prozess
  • Benötigen eigenen Life Support
  • Benötigen viel Crew Zeit

• Abhängig von Missionsdauer
• Pick & Eat Crops für kurze Missionen: Salat, Tomate, Gurke, Kräuter
  • Benötigen keinen Weiterverarbeitung
  • Können nicht lange aufbewahrt werden
• Für kurze Missionen: Blatt-Pflanzen sind besser
• Für lange Missionen: Starch crops und high benefit crops am besten, danach leafy und dann fruits

• Ressourcen
  • Energieverbrauch
  • Komplexität der Anbaubedingungen
  • Komplexität der Anbauarbeitsschritte
  • Wachstums Habitat
• Vorteile
  • Output Biomasse
  • Nutzungsfaktor der Pflanze
  • Recyclingfähigkeit
  • Well beeing

• Erste Phase:
  • Von Erde: Vorgepacktes Essen
  • Pick and Eat Crops als Ergänzung
• Zweite Phase: Nahrungsmittel können verarbeitet werden
  • Von Erde: Rohe Zutaten
  • Auch stärkehaltige Nahrungsmittel werden nun Angebaut
• Dritte Phase:
  • Von Erde: Supplements
  • So gut wie alles wird angebaut: Weizen etc.

• Vorteile:
  • Energy Efficiency
  • Biomass output
  • Treatment complexity
• Nachteile:
  • Well-Beeing
  • Crop Utilization Faktor
  • Recycling Capability

• Vorteile:
  • Biomass output
  • Recycling Capability
  • Crop Utilization Faktor
• Nachteile:
  • Energy Efficiency
  • Well-Beeing
  • Growth habit

• Um Pflanzen anzubauen
• Besteht aus:
  • NDS: Nutrient Delivery System
  • AMS: Atmosphere Managment System
  • ICS: Illumination Control System

• Transport von Wasser und Nährstoffen zu den Wurzel der Pflanzen
• Bereitstellen der Wasser-Nährstoff-Lösung
• Freihalten der Lösung von:
  • Pathogenen
  • Wurzelteilen und Partikeln
  • Wurzelemissionen
• Wasser mit O2 anreichern

• Enthält Gifte
• pH Wert ist unterschiedlich
• Man hinterlässt eventuell Mikroben auf dem Mond

• Low gravity: local air pockets, need extra ventilation system
• Habitat interface (exchange of O2 and CO2 between greenhouse und habitat
• Water recovery system is energy intensive
• Bio film formation
• Selective nutrient uptake (imbalance of composition over time)