Lebenserhaltungssysteme mit geschlossenem Kreislauf: Leben in extremen Umgebungen und darüber hinaus erhalten

Lebenserhaltungssysteme mit geschlossenem Kreislauf (CLSS) stellen einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise dar, wie wir das menschliche Leben in isolierten und ressourcenbeschränkten Umgebungen aufrechterhalten. Ursprünglich für Langzeit-Raumfahrtmissionen konzipiert, werden diese Technologien zunehmend für ihr Potenzial zur Bewältigung drängender Nachhaltigkeitsherausforderungen auf der Erde anerkannt. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über CLSS, beleuchtet ihre Prinzipien, Komponenten, Anwendungen und die Spitzenforschung, die ihre Zukunft gestaltet.

Was ist ein Lebenserhaltungssystem mit geschlossenem Kreislauf?

Ein CLSS ist ein in sich geschlossenes ökologisches System, das darauf ausgelegt ist, Ressourcen – Luft, Wasser und Abfall – zu recyceln, um den Bedarf an externen Zufuhrungen zu minimieren. Im Wesentlichen ahmt es die natürlichen biogeochemischen Kreisläufe der Erde in einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Umgebung nach. Das Ziel ist es, einen nachhaltigen Lebensraum zu schaffen, der alle notwendigen Ressourcen für das menschliche Überleben und Wohlbefinden bereitstellen kann.

Im Gegensatz zu Systemen mit offenem Kreislauf, die stark auf Nachschub angewiesen sind, zielen CLSS auf eine nahezu vollständige Ressourcenregeneration ab. Dies macht sie unerlässlich für:

• Langzeit-Raumfahrtmissionen: Reduzierung der logistischen Belastung und der Kosten für den Transport von Vorräten zu entfernten Zielen wie dem Mars.
• Planetare Außenposten und Siedlungen: Schaffung autarker Lebensräume auf anderen Planeten.
• Extreme Umgebungen auf der Erde: Unterstützung von Forschungsstationen in der Antarktis, Unterwasser-Lebensräumen und unterirdischen Bunkern.
• Nachhaltige Landwirtschaft und Ressourcenmanagement: Entwicklung von geschlossenen Kreislaufsystemen für Lebensmittelproduktion, Wasseraufbereitung und Abfallrecycling in städtischen Umgebungen und abgelegenen Gemeinden.

Schlüsselkomponenten eines Lebenserhaltungssystems mit geschlossenem Kreislauf

Ein CLSS besteht typischerweise aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten, von denen jede für eine bestimmte Funktion verantwortlich ist:

1. Luftrevitalisierung

Diese Komponente konzentriert sich auf die Aufrechterhaltung einer atembaren Atmosphäre durch die Entfernung von Kohlendioxid (CO2) und die Wiederauffüllung von Sauerstoff (O2). Traditionelle Methoden, wie chemische Wäscher, erfordern den Nachschub von Chemikalien. Fortschrittliche CLSS verwenden:

• Physikochemische Methoden: Verwendung chemischer Reaktionen, Adsorption oder Membrantechnologien zur Entfernung von CO2 und Erzeugung von O2. Beispiele hierfür sind der Sabatier-Reaktor (der CO2 und Wasserstoff in Methan und Wasser umwandelt) und Festoxid-Elektrolysezellen (SOECs), die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten.
• Bioregenerative Methoden: Nutzung von Pflanzen oder Algen, um CO2 durch Photosynthese zu absorbieren und O2 freizusetzen. Dies stellt auch eine Nahrungsquelle dar und hilft bei der Wasserreinigung.

Beispiel: Das MELiSSA-Projekt (Micro-Ecological Life Support System Alternative) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) integriert sowohl physikochemische als auch bioregenerative Methoden zur Luftrevitalisierung.

2. Wasseraufbereitung und -recycling

Wasser ist eine kostbare Ressource, insbesondere in geschlossenen Umgebungen. CLSS verwenden hochentwickelte Wasseraufbereitungs- und Recyclingsysteme, um Wasser aus verschiedenen Quellen zurückzugewinnen, einschließlich:

• Urin und Abwasser: Verwendung von Membranfiltration, Destillation und biologischer Behandlung zur Entfernung von Verunreinigungen und Krankheitserregern.
• Luftfeuchtigkeitskondensat: Sammeln von Wasserdampf aus der Luft.
• Pflanzentranspiration: Rückgewinnung von Wasser, das von Pflanzen transpiriert wird.

Das gereinigte Wasser wird dann zum Trinken, für die Hygiene und zur Bewässerung von Pflanzen wiederverwendet.

Beispiel: Die Internationale Raumstation (ISS) verwendet ein Wasser-Rückgewinnungssystem (WRS), das bis zu 93 % des Wassers an Bord recyceln kann.

3. Lebensmittelproduktion

Die Bereitstellung einer nachhaltigen Lebensmittelversorgung ist für eine langfristige Besiedlung von entscheidender Bedeutung. CLSS integrieren Systeme der kontrollierten Umgebungslandwirtschaft (Controlled Environment Agriculture, CEA), um Pflanzen in Innenräumen anzubauen, wobei künstliche Beleuchtung, Hydroponik oder Aeroponik zum Einsatz kommen. Wichtige Überlegungen sind:

• Nährstoffkreislauf: Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abfallmaterialien und deren Rückführung in das Lebensmittelproduktionssystem.
• Pflanzenauswahl: Auswahl von Pflanzen, die nahrhaft, leicht anzubauen und effizient bei der Umwandlung von CO2 in Biomasse sind. Beispiele hierfür sind Weizen, Reis, Sojabohnen, Kartoffeln, Salat und Spirulina.
• Ressourcenoptimierung: Minimierung des Wasser- und Energieverbrauchs.

Beispiel: Die Forschung am Controlled Environment Agriculture Center der University of Arizona konzentriert sich auf die Entwicklung effizienter und nachhaltiger Lebensmittelproduktionssysteme für die Raumfahrt und die städtische Landwirtschaft.

4. Abfallwirtschaft

Eine effektive Abfallwirtschaft ist für die Aufrechterhaltung einer gesunden und hygienischen Umgebung unerlässlich. CLSS setzen verschiedene Technologien zur Verarbeitung und zum Recycling von Abfallmaterialien ein, darunter:

• Kompostierung: Einsatz von Mikroorganismen zur Zersetzung organischer Abfälle in einen nährstoffreichen Dünger.
• Anaerobe Vergärung: Abbau organischer Abfälle unter Sauerstoffausschluss zur Erzeugung von Biogas (Methan und CO2).
• Pyrolyse: Erhitzen von Abfallmaterialien unter Sauerstoffausschluss zur Herstellung von Bio-Öl, Biokohle und Synthesegas.
• Verbrennung: Verbrennung von Abfällen bei hohen Temperaturen, um deren Volumen zu reduzieren und Energie zu erzeugen (mit entsprechenden Emissionskontrollsystemen).

Der aufbereitete Abfall kann dann als Dünger für das Pflanzenwachstum oder als Energiequelle verwendet werden.

Beispiel: Das NASA Ames Research Center entwickelt fortschrittliche Abfallmanagementsysteme für zukünftige Mond- und Mars-Habitate.

5. Umweltkontrolle und -überwachung

Die Aufrechterhaltung einer stabilen und komfortablen Umgebung ist für die menschliche Gesundheit und Produktivität von entscheidender Bedeutung. CLSS beinhalten hochentwickelte Umweltkontrollsysteme zur Regulierung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Beleuchtung. Sie umfassen auch Sensoren und Überwachungssysteme, um Schlüsselparameter zu verfolgen und Anomalien zu erkennen.

Arten von Lebenserhaltungssystemen mit geschlossenem Kreislauf

CLSS lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen:

1. Physikochemische Lebenserhaltungssysteme (PCLSS)

Diese Systeme stützen sich hauptsächlich auf chemische und physikalische Prozesse zur Regenerierung von Ressourcen. Sie sind in der Regel kompakter und zuverlässiger als bioregenerative Systeme, benötigen aber mehr Energie und können giftige Nebenprodukte erzeugen.

Vorteile:

• Hohe Effizienz und Zuverlässigkeit
• Kompakte Größe
• Etablierte Technologie

Nachteile:

• Hoher Energieverbrauch
• Potenzial für die Erzeugung giftiger Nebenprodukte
• Begrenzte Fähigkeit zur Anpassung an veränderte Bedingungen

2. Bioregenerative Lebenserhaltungssysteme (BLSS)

Diese Systeme nutzen biologische Organismen wie Pflanzen, Algen und Mikroorganismen, um Ressourcen zu recyceln. Sie bieten das Potenzial für eine größere Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit, sind aber komplexer und erfordern eine sorgfältige Verwaltung.

Vorteile:

• Nachhaltige Ressourcenregeneration
• CO2-Entfernung und O2-Produktion
• Lebensmittelproduktion
• Wasseraufbereitung
• Abfallrecycling
• Potenzial für psychologische Vorteile (z. B. die Anwesenheit von Pflanzen)

Nachteile:

• Komplexität und Instabilität
• Empfindlichkeit gegenüber Umweltveränderungen
• Langsames Ansprechverhalten
• Kontaminationspotenzial
• Großer Platzbedarf

Aktuelle Forschung und Entwicklung

Es werden erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen, um die Effizienz, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von CLSS zu verbessern. Wichtige Schwerpunkte sind:

• Fortschrittliche Bioreaktoren: Entwicklung effizienterer und kompakterer Bioreaktoren für die Luftrevitalisierung, Wasseraufbereitung und Abfallbehandlung.
• Optimierte Pflanzenauswahl: Identifizierung von Pflanzen, die am besten für CLSS-Umgebungen geeignet sind, unter Berücksichtigung von Nährwert, Wachstumsrate und Ressourcenbedarf.
• Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen: Einsatz von KI und maschinellem Lernen zur Optimierung der Systemleistung, Vorhersage von Ausfällen und Automatisierung von Kontrollprozessen.
• Mikrobielle Ökologie: Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen in CLSS und wie man sie für einen optimalen Ressourcenkreislauf managt.
• Geschlossene Aquakultur: Integration von Aquakultursystemen in CLSS zur Produktion von Fisch und anderen Wasserorganismen als Proteinquelle.
• 3D-Druck: Verwendung von 3D-Druck zur Erstellung maßgeschneiderter Komponenten für CLSS, wie Bioreaktoren, Hydroponiksysteme und Abfallmanagementgeräte.

Anwendungen von Lebenserhaltungssystemen mit geschlossenem Kreislauf

1. Raumfahrt

Der Hauptantrieb für die Entwicklung von CLSS war die Notwendigkeit, Astronauten während Langzeit-Raumfahrtmissionen zu versorgen. CLSS sind unerlässlich, um die Abhängigkeit vom Nachschub zu verringern und die menschliche Erforschung des Mars und darüber hinaus zu ermöglichen.

Beispiel: Das Advanced Exploration Systems (AES) Programm der NASA entwickelt CLSS-Technologien für zukünftige Mond- und Marsmissionen.

2. Planetare Außenposten und Siedlungen

CLSS werden für die Errichtung autarker Lebensräume auf anderen Planeten von entscheidender Bedeutung sein. Diese Systeme müssen alle notwendigen Ressourcen für das menschliche Überleben bereitstellen, einschließlich Luft, Wasser, Nahrung und Abfallmanagement.

Beispiel: Die Mars Society entwickelt eine Mars Desert Research Station (MDRS) in Utah, um die Herausforderungen des Lebens auf dem Mars zu simulieren und CLSS-Technologien zu testen.

3. Extreme Umgebungen auf der Erde

CLSS können auch zur Unterstützung menschlicher Besiedlung in extremen Umgebungen auf der Erde eingesetzt werden, wie in der Antarktis, in Unterwasser-Lebensräumen und unterirdischen Bunkern.

Beispiel: Forschungsstationen in der Antarktis nutzen CLSS-Technologien, um ihre Umweltauswirkungen zu reduzieren und ihre Nachhaltigkeit zu verbessern.

4. Nachhaltige Landwirtschaft und Ressourcenmanagement

Die Prinzipien von CLSS können angewendet werden, um nachhaltigere landwirtschaftliche Praktiken und Ressourcenmanagementsysteme auf der Erde zu entwickeln. Dies umfasst:

• Vertikale Landwirtschaft: Anbau von Pflanzen in Innenräumen in gestapelten Schichten, um die Raumnutzung zu maximieren und den Wasserverbrauch zu minimieren.
• Aquaponik: Integration von Aquakultur und Hydroponik, um ein geschlossenes Kreislaufsystem zu schaffen, das Nährstoffe und Wasser recycelt.
• Abwasserbehandlung: Einsatz biologischer Behandlungssysteme zur Reinigung von Abwasser und Rückgewinnung wertvoller Ressourcen.
• Anaerobe Vergärung: Umwandlung von organischen Abfällen in Biogas und Dünger.

Beispiel: Zahlreiche Unternehmen und Organisationen entwickeln vertikale Farmen und Aquaponiksysteme in städtischen Umgebungen, um frische, lokal angebaute Lebensmittel bereitzustellen und gleichzeitig Transportkosten und Umweltauswirkungen zu reduzieren.

5. Katastrophenhilfe und Notfallvorsorge

CLSS können zur Bereitstellung wesentlicher Ressourcen in Katastrophengebieten und in Notfallsituationen eingesetzt werden. Autarke CLSS-Einheiten können sauberes Wasser, Nahrung und Unterkunft für vertriebene Bevölkerungsgruppen bereitstellen.

Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Trotz erheblicher Fortschritte bleiben bei der Entwicklung und dem Einsatz von CLSS mehrere Herausforderungen bestehen:

• Komplexität und Kosten: CLSS sind komplex und teuer in der Konzeption, dem Bau und dem Betrieb.
• Zuverlässigkeit und Robustheit: CLSS müssen äußerst zuverlässig und robust sein, um rauen Umweltbedingungen und unerwarteten Ereignissen standzuhalten.
• Skalierbarkeit: CLSS müssen skalierbar sein, um größere Populationen und längere Zeiträume zu unterstützen.
• Integration: Die Integration verschiedener CLSS-Komponenten in ein zusammenhängendes und effizientes System ist eine große Herausforderung.
• Öffentliche Akzeptanz: Die Überwindung der öffentlichen Skepsis und die Gewinnung von Akzeptanz für CLSS-Technologien sind für ihre breite Anwendung entscheidend.

Zukünftige Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen werden sich darauf konzentrieren, diese Herausforderungen anzugehen und die Leistung und Erschwinglichkeit von CLSS zu verbessern. Wichtige Innovationsbereiche sind:

• Entwicklung effizienterer und kompakterer Bioreaktoren.
• Optimierung der Pflanzenauswahl für CLSS-Umgebungen.
• Einsatz von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen zur Automatisierung der CLSS-Steuerung und -Verwaltung.
• Integration erneuerbarer Energiequellen in CLSS.
• Entwicklung geschlossener Aquakultursysteme.
• Verwendung von 3D-Druck zur Erstellung maßgeschneiderter CLSS-Komponenten.
• Erforschung des Potenzials der synthetischen Biologie zur Schaffung neuartiger Organismen für die Ressourcenregeneration.

Schlussfolgerung

Lebenserhaltungssysteme mit geschlossenem Kreislauf stellen eine transformative Technologie dar, die das Potenzial hat, die Raumfahrt zu revolutionieren und kritische Nachhaltigkeitsherausforderungen auf der Erde anzugehen. Obwohl erhebliche Herausforderungen bestehen bleiben, ebnen laufende Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen den Weg für effizientere, zuverlässigere und erschwinglichere CLSS. Während wir weiterhin den Kosmos erforschen und nach einer nachhaltigeren Zukunft streben, werden CLSS eine immer wichtigere Rolle bei der Sicherung des Überlebens und des Wohlbefindens der Menschheit spielen.

Der Weg zu vollständig geschlossenen Kreislaufsystemen ist ein fortlaufender Prozess, der eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Biologen, Umweltwissenschaftlern und politischen Entscheidungsträgern auf der ganzen Welt erfordert. Es ist eine Investition in unsere Zukunft, sowohl in der unendlichen Weite des Weltraums als auch auf unserem Heimatplaneten, der Erde.

Weiterführende Lektüre

• MELiSSA Projekt (Europäische Weltraumorganisation): https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Melissa
• NASA Advanced Exploration Systems (AES): https://www.nasa.gov/exploration/systems/index.html
• Controlled Environment Agriculture Center (University of Arizona): https://ceac.arizona.edu/